氨基化碳量子点荧光猝灭-恢复体系的构建与优化研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由中南民族大学药学院的杨艳楠、肖新才（通讯作者）和赵丹合作完成，成果发表于《华中师范大学学报（自然科学版）》2025年第59卷第2期，文章编号为1000-1190(2025)02-0220-08。研究得到国家自然科学基金（21978329）和中央高校基本科研业务费专项资金（CZP20004）的资助。

二、学术背景与研究目标
碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）是一种粒径约10 nm的类球形碳基纳米材料，具有荧光性能强、生物相容性高、合成成本低等优势，但实际应用中存在荧光猝灭问题，限制了其监测效果。传统CQDs表面含氧官能团较多，量子产率较低，需通过掺杂（如氮、硫、磷等）提升性能。此前研究表明，氨基化修饰可显著增强CQDs的荧光强度（田瑞雪等，2014），但如何利用其荧光猝灭-恢复特性实现聚合物可视化示踪仍待探索。

本研究旨在通过水热法合成氨基化碳量子点（NH₂-CQDs），构建NH₂-CQDs-聚丙烯酸（PAA）荧光猝灭体系，并利用氢氧化钠（NaOH）实现荧光恢复，最终建立一种高灵敏度、可逆的聚合物示踪方法，为高分子材料的在线监测提供新思路。

三、研究流程与方法
1. NH₂-CQDs的合成与表征
- 合成方法：以柠檬酸（CA）为碳源，在200℃水热反应5小时，离心获得CQDs；随后加入氨水（NH₃·H₂O）二次水热反应，实现表面氨基化。
- 表征技术：
- 透射电镜（TEM）：显示NH₂-CQDs为类球形颗粒，平均粒径4.8 nm，分散均匀无团聚。
- 傅里叶红外光谱（FTIR）：证实氨基化后C=O（1712 cm⁻¹）和C—O—C（1217 cm⁻¹）峰消失，出现C—N（1201 cm⁻¹）和—CONH—（1673 cm⁻¹）特征峰，表明成功生成羧酸铵结构。
- 紫外-可见光谱（UV-Vis）：NH₂-CQDs在332 nm处出现N-π*跃迁吸收峰。
- 荧光光谱（FL）：最佳激发/发射波长为378/451 nm，且荧光强度显著高于未修饰CQDs（图3c）。

1. PAA对NH₂-CQDs的荧光猝灭效应

   • 在NH₂-CQDs溶液中加入不同浓度PAA（0–4.17×10⁻⁴ mol），荧光强度随PAA量增加而降低（图5）。红外光谱显示PAA的羧基（—COOH）与NH₂-CQDs的氨基形成酰胺键（1641 cm⁻¹），导致非辐射复合中心增加，荧光猝灭。
     

2. NaOH介导的荧光恢复机制

   • 碱筛选实验：对比KOH、Ca(OH)₂、NaOH和Ba(OH)₂，NaOH因价格低廉且效果接近KOH（恢复率69.04%）被选为最优恢复剂（图6）。
     
   • 定量恢复：在含4.17×10⁻⁵ mol PAA的猝灭体系中，加入5.00×10⁻⁵ mol NaOH（接近1:1摩尔比）时荧光恢复最佳（图7）。机理为NaOH去质子化使—COO⁻增多，减少非辐射复合。
     
   • 可逆性与稳定性：经历5次猝灭-恢复循环后荧光强度保持稳定（图8）；孵育15分钟时恢复率最高，1小时内仅下降9.9%（图9）。
     

3. PAA构象的可视化示踪

   • 荧光显微镜观察显示，随NaOH量增加（6.25×10⁻⁶至5.00×10⁻⁵ mol），PAA轮廓从模糊变为清晰（图10），证实该体系可用于聚合物空间构象监测。
     

四、主要研究结果
1. NH₂-CQDs的特性：氨基化使CQDs荧光强度提升，且具有激发波长依赖性（图3d），pH稳定性范围广（pH 4–12）。
2. 猝灭-恢复机制：PAA通过酰胺键猝灭荧光，NaOH通过调控—COO⁻密度实现恢复，最优摩尔比接近1:1。
3. 应用潜力：体系可逆性强，孵育时间短（15分钟），为聚合物降解、迁移等过程的实时监测提供可能。

五、结论与价值
本研究成功构建了NH₂-CQDs-PAA-NaOH荧光猝灭-恢复体系，其科学价值在于：
1. 方法学创新：首次将氨基化CQDs与PAA结合，通过酸碱调控实现荧光“开关”，拓展了CQDs在分析化学中的应用。
2. 应用前景：为高分子聚合物（如微塑料、生物降解材料）的可视化示踪提供了高灵敏度、低成本的新方案，尤其适用于复杂环境中的动态监测。

六、研究亮点
1. 材料设计：通过氨基化修饰提升CQDs荧光性能，解决了传统CQDs量子产率低的问题。
2. 机制明确：结合FTIR与荧光光谱，阐明了酰胺键形成与解离对荧光猝灭-恢复的调控作用。
3. 技术优化：筛选NaOH作为经济高效的恢复剂，并确定最佳摩尔比与孵育时间，提升了体系的实用性。

七、其他价值
该研究为后续开发基于CQDs的“智能”荧光探针奠定了基础，例如通过修饰不同官能团实现对特定聚合物的靶向标记。